KR101415315B1 - 트리플 다리 캐패시터를 갖는 새장형 mri 수신단 rf 코일 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 트리플 다리 캐패시터를 갖는 새장형 MRI 수신단 RF 코일 및 그 제조방법에 관한 것으로, 중공된 원통형 투광성 플락스틱 소재의 하우징; 상기 하우징 측면 둘레에 원통형으로 부착되는 것으로, 상단 및 하단에 형성된 수평 방향의 단부 코일과, 상기 단부 코일을 수직으로 연결되는 다수의 코일 다리로 구성하되, 상기 단부 코일에 적어도 하나의 갭과 상기 다수의 코일 다리 중심에 동일 간격으로 3개의 갭이 형성하여 연성 인쇄회로기판에 스트립 형태로 패터닝된 코일시트; 상기 코일 다리 및 단부 코일에 형성된 갭에 장착되는 캐패시터; 및 상기 어느 하나의 단부 코일에 설치되는 것으로, 임피던스를 변화시켜 이조(detuning) 시키기 위한 이조 회로(detuning circuit)을 포함한다.
이와 같은 본 발명은 간단한 구조 및 구성으로 균일한 내부 자기장을 형성하고, 양질의 공진 주파수 생성 및 수신 감도를 높여 NMR 이미징의 화질을 개선할 수 있는 높은 성능의 MRI 시스템 용 RF 코일을 제공할 뿐만 아니라, 전자기적 소자의 출력 안정성을 높일 수 있는 RF 코일의 대량 생산에 용이한 제조방법을 제공한다.

Description

트리플 다리 캐패시터를 갖는 새장형 MRI 수신단 RF 코일 및 그 제조방법{birdcage type RF receive coil with tripple leg capacitor, and thereof method}

본 발명은 RF 코일에 관한 것으로, 보다 상세하게는 FPCB 코일시트로 형성된 트리플 다리 캐패시터를 갖는 새장형 MRI 수신단 RF 코일 및 그 제조방법에 관한 것이다.

MRI(Magnetic Resonance Imaging: 이하 'MRI'라 한다.) 시스템에서 NMR(Nuclear Magnetic Resonance: 이하 'NMR'이라 한다.) 이미징은 매우 밀접하게 RF 코일의 디자인에 의존한다. RF 코일은 핵자기 공진 현상에 기반하는 MRI 시스템에서 대상체(사람 또는 동물)의 현재 모습에서 형성된 매우 약한 RF 신호를 측정할 수 있는 능력을 가지는 RF 측정기이다. RF 코일의 디자인에 있어 가장 실질적이고 중요한 고려사항은 RF 코일이 해당 영역에서 생성해야 하는 강한 자기장이다. 이 자기장은 핵 자기 공진 신호와 동일한 공진 주파수가 생성되어야만 한다.

RF 코일들의 디자인 작업에 많은 다른 기술들이 제안 되어져 왔다. 대부분은 새장 형상의 RF 코일이다. 새장 형상의 RF 코일은 해당 영역에서 매우 강한 자기장과 균일한(homogenous) 자기장을 형성하는 능력 때문에 NMR 이미징에서 널리 사용된다. 보통 RF 코일은 특정 자기장 세기에 H 핵 NMR 이미징을 수행하도록 디자인 된다. 그러므로, RF 코일은 특정 자기장 세기에 맞게 디자인된 MRI 시스템에 사용하는데 제한된다. 몇몇 RF 코일들은 다중 공진 능력을 갖도록 디자인된다. 그들은 H 핵과 다른 원자의 핵으로부터 NMR 신호를 측정할 수 있지만, 이와 같은 RF 코일들은 특정 자기장 세기에 따라 작동이 제한된다.

종래의 공개특허 10-2011-0104807에서 NMR RF 코일을 소개하고 있다. 도 1은 종래의 8단면 고역 통과 RF 코일을 나타낸 사시도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 원통형 PCB(Printed Circuit Board) 기판에 고리형의 금속 패턴을 상하로 형성하고, 이 사이에 커패시터를 상기한 바와 같이 배치한 구성이다.

또한, 상기 자기 공진기는 교환 가능한 커패시터 또는 가변 커패시터를 구비하며, 상기 교환 가능한 커패시터를 교환하거나 상기 가변 커패시터의 커패시턴스를 조절하여 상기 공진 주파수를 조절할 수 있도록 구성되어 있다.

이와 같이, 상기 루프 안테나와 유도성 결합되는 코일 형태의 상기 자기 공진기에 상기 시변 자기장에 의하여 공진이 발생하게 되도록 구성된 것이다. 이로써, 단순한 상하의 루프 안테나형 금속 띠(23, 25)에 자기 공진기(magnetic resonator)를 이루도록 다수의 커패시터를 배열하여 감도가 높고 구조가 간단하여 저렴한 가격으로 구현 할 수 있는 자기 공진기를 제공할 수 있게 되는 것이다.

이는, 소 동물과 같은 작은 대상에서 MR 자기공명영상(Magnetic Resonance Imaging, 이하 MRI) 장치는 인체에 포함된 수소 원자핵이 내는 특정 주파수의 자기장을 검출하여 이를 2 차원 또는 3차원 영상으로 변환시켜 소 동물 내부의 조직 형태(tissue type)을 검사할 수 있게 하는 장치로서, 컴퓨터 단층 촬영(CT; Computed

Tomography)이나 X-ray에 비하여 인체에 전혀 무해한 자기장을 이용함으로써 장시간 촬영이나 많은 횟수의 촬영에도 인체에 해롭지가 않고, 대조도와 해상도가 뛰어난 첨단의 비파괴, 비방사능적 검사를 수행할 수 있게 되는 것이다.

그러나, 종래에는 코일을 와이어 형태로 제작하여 부착하는 방법을 사용함으로써, 제조가 복잡하고 정밀성이 떨어질 뿐만 아니라, 전자기적 소자의 출력 안정성 및 정확한 공진 주파수의 생성이 어려운 문제점이 있었다. 수신단 RF 코일에 있어서, 이조 특성을 높이기 위한 회로 구성이 복잡하고, 임피던스 매칭을 위한 조작이 어렵다는 문제점이 있다.

그리고, RF 코일 디자인은 MRI 시스템의 준비과정에서 가장 중요하고 민감한 문제이다. 이것은 MRI 시스템에서 이미징을 기반한 자기 공명을 생성하는 중요한 역할을 수행한다. 다른 요인들과 함께 NMR 영상의 퀄러티는 엄격히 RF 코일의 노이즈 없는 NMR 신호 측정 특성에 의존한다. RF 코일은 강한 자기장과 약한 전기장을 생성하는 능력을 가져야만 하는 과제가 있다.

또한, 새장 형상의 RF 공진기는 본질적으로 강한 자기장의 특성 때문에, 최선의 선택으로 여겨진다. 다른 모습들을 갖는 새장형 RF 코일의 제작을 위해 많은 노력을 해왔다. 하이브리드 형 새장 공진기들은 단부코일과 코일 다리에서 개별소자 캐패시터들을 포함한다. NMR 영상의 화질은 캐패시턴스 및 인덕턴스가 새장형 코일의 다리를 따라 분산될 때, 개선된다고 알려져 있는데, 종래의 TEM 형 공진기는 이러한 아이디어를 구현한 것이다. 그러나 치수 때문에 소동물에 대한 TEM 형 공진기를 만들기가 매우 어렵다는 문제점이 있다.

상술한 문제를 해결하고자 하는 본 발명의 과제는 간단한 구조 및 구성으로 균일한 내부 자기장을 형성하고, 양질의 공진 주파수 생성 및 수신 감도를 높여 NMR 이미징의 화질을 개선할 수 있는 높은 성능의 MRI 시스템 용 RF 코일을 제공할 뿐만 아니라, 전자기적 소자의 출력 안정성을 높일 수 있는 RF 코일의 대량 생산에 용이한 제조방법을 제공하고자 함이다.

상술한 과제를 해결하고자 하는 본 발명의 제1 특징은 트리플 다리 캐패시터를 갖는 새장형 MRI 수신단 RF 코일로서, 중공된 원통형 투광성 플락스틱 소재의 하우징; 상기 하우징 측면 둘레에 원통형으로 부착되는 것으로, 상단 및 하단에 형성된 수평 방향의 단부 코일과, 상기 단부 코일을 수직으로 연결되는 다수의 코일 다리로 구성하되, 상기 단부 코일에 적어도 하나의 갭과 상기 다수의 코일 다리 중심에 동일 간격으로 3개의 갭을 형성하여 연성 인쇄회로기판에 스트립 형태로 패터닝된 코일시트; 상기 코일 다리 및 단부 코일에 형성된 갭에 장착되는 캐패시터; 및 상기 어느 하나의 단부 코일에 설치되는 것으로, 임피던스를 변화시켜 이조(detuning) 시키기 위한 이조 회로(detuning circuit)을 포함한다.

여기서, 상기 이조 회로(detuning circuit)는, PIN 다이오드 및 스위칭 다이오드가 병렬로 연결되고, 상기 PIN 다이오드 및 스위칭 다이오드와 직렬로 연결되는 캐패시터 및 인덕터를 포함하는 것이 바람직하고, 상기 이조 회로의 캐패시터는 비자기형(non-magnetic) 가변 캐패시터인 것이 바람직하다.

또한, 바람직하게는 상기 투광성 플라스틱 소재는 아크릴 수지인 것일 수 있고, 상기 연성 인쇄회로기판은 FR4 에폭시 수지 FPCB인 것일 수 있으며, 상기 코일은 구리(Copper)를 재질로 하는 것일 수 있다.

더하여, 상기 어느 하나의 단부 코일에서 연장되는 급전라인에 직렬 및 병렬 임피던스 매칭을 위한 임피던스 매칭 캐패시터를 더 포함하는 것이 바람직하고, 상기 하우징은, 동축 구조로서, 내측 원통의 측면에 상기 코일시트가 부착되는 것이 바람직하다.

그리고 본 발명의 제2 특징은 상기 RF 코일 제조방법으로, (a) 연성 인쇄회로기판 공정으로 상기 기판의 상단 및 하단에 수평방향의 직선 단부 코일과, 상기 단부 코일을 수직으로 연결하는 복수개의 코일 다리를 형성하고, 상기 단부 코일에 적어도 하나의 갭과 상기 코일 다리에 동일한 간격으로 3개의 갭이 형성된 스트립 형태의 코일 구조를 패터닝하는 단계; (b) 상기 갭에 캐패시터를 장착하고, 임피던스를 변화시켜 이조(detuning) 시키기 위한 이조 회로(detuning circuit)를 상기 단부 코일에 적어도 하나를 장착시켜 RF 코일시트를 형성하는 단계; 및 (c) 상기 RF 코일시트를 중공된 동축구조의 원통형 투광성 하우징의 내측 원통의 측면에 상기 RF 코일시트를 부착하여 새장형 코일을 형성하는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 이조 회로(detuning circuit)는, PIN 다이오드 및 스위칭 다이오드가 병렬로 연결되고, 상기 PIN 다이오드 및 스위칭 다이오드와 직렬로 연결되는 캐패시터 및 인덕터를 포함하여 형성하는 것이 바람직하다..

이와 같이 본 발명은 간단한 구조 및 구성으로 균일한 내부 자기장을 형성하여 양질의 공진 주파수 생성 및 수신 감도를 높일 수 있는 RF 코일을 제공한다. 또한, 캐패시턴스 분산 효과를 이용하여 콘트라스트 레벨을 높이고, NMR 이미지들에서 코일의 노이즈 면역성은 증가시켜 MRI 시스템의 NMR 이미지 질이 개선 시킬 수 있다.

또한, 제조가 용이하고, 전자기적 소자의 전자기적 소자의 출력 안정성 및 구조의 안정성과 정밀성을 높일 수 있는 MRI 시스템에 적용되는 수신단 RF 코일의 제조방법을 제공한다.

도 1은 종래의 8단면 고역 통과 RF 코일을 나타낸 사시도이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 트리플 다리 캐패시터를 갖는 새장형 MRI 수신단 RF 코일의 구성을 나타낸 사진이고,
도 3은 상기 트리플 다리 캐패시터를 갖는 새장형 MRI 수신단 RF 코일의 구성중 코일시트를 나타낸 사진이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 트리플 다리 캐패시터를 갖는 새장형 MRI 수신단 RF 코일의 구성 중 이조(detuning) 회로를 나타낸 도면이고,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 트리플 다리 캐패시터를 갖는 새장형 MRI 수신단 RF 코일에 대한 반사 손실(Return Loss)의 비교 그래프이고,
도 6은 1.5T MRI 시스템에 사용되는 단일 다리 캐패시터를 갖는 RF 코일과 본 발명의 실시예에 따른 트리플 다리 캐패시터를 갖는 새장형 MRI 수신단 RF 코일을 적용한 작은 쥐의 NMR 이미지이고,

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 통해 설명될 것이다. 그러나 본 발명은 여기에서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 본 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

도면들에 있어서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니며 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소를 나타낸다.

본 명세서에서 "및/또는"이란 표현은 전후에 나열된 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용된다. 또한, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, 명세서에서 사용되는 "포함한다" 또는 "포함하는"으로 언급된 구성요소, 단계, 동작 및 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 소자 및 장치의 존재 또는 추가를 의미한다.

이하에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 트리플 다리 캐패시터를 갖는 새장형 MRI 수신단 RF 코일의 구성을 나타낸 사진이고, 도 3은 상기 트리플 다리 캐패시터를 갖는 새장형 MRI 수신단 RF 코일의 구성중 코일시트를 나타낸 사진이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 트리플 다리 캐패시터를 갖는 새장형 MRI 수신단 RF 코일은 중공된 원통형 투광성 플락스틱 소재의 하우징(100); 상기 하우징(100) 측면 둘레에 원통형으로 부착되는 것으로, 상단 및 하단에 형성된 수평 방향의 단부 코일(230)과, 상기 단부 코일(230)을 수직으로 연결되는 다수의 코일 다리(250)로 구성하되, 상기 단부 코일(230)에 적어도 하나의 갭(253)과 상기 다수의 코일 다리(250) 중심에 동일 간격으로 3개의 갭이(255)을 형성하여 연성 인쇄회로기판(210)에 스트립 형태로 패터닝된 코일시트(200); 상기 코일 다리(250) 및 단부 코일(230)에 형성된 갭(255)에 장착되는 캐패시터; 상기 어느 하나의 단부 코일(230)에 설치되는 것으로, 임피던스를 변화시켜 이조(detuning) 시키기 위한 이조 회로(400)(detuning circuit)을 포함하여 구성한다.

본 발명이 실시예에 따른 트리플 다리 캐패시터를 갖는 새장형 MRI 수신단 RF 코일은 종래의 원통형 하우징에 전도성 물질의 와이어로 상하부에 링형 단부코일과 상기 단부 코일을 연결하는 코일 다리로 이루어지는 구성이 아니라, 원통형 하우징(100)에 수평의 단부 코일(230)과 상기 단부 코일(230)을 수직으로 연결하는 코일 다리(250)가 연성 인쇄회로기판(210)에 스트립 형태로 패터닝된 코일시트(200)를 부착하는 구조를 제안함으로써, 제작이 용이하고, 시스템 정밀성이 높아질 뿐만 아니라, 전자기적 소자의 출력 안정성 및 정확한 공진 주파수의 생성에 크게 기여하게 된다.

그리고, 본 발명의 실시예에서는 단부 코일(230) 어느 하나에 임피던스를 변화시켜 이조(detuning) 시키기 위한 이조 회로(400)(detuning circuit)를 포함하는 구성함으로써, MRI 시스템에 적용되는 수신단 코일의 특성에 알맞도록 임피던스를 변화시키기 위한 조작이 용이하도록 하여 공진 특성과 수신 특성을 높일 수 있게 된다.

보다 구체적으로, 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 트리플 다리 캐패시터를 갖는 새장형 MRI 수신단 RF 코일의 제작 과정을 살펴보면, 상기 코일시트(200)는 연성 에폭시 유전 물질에서 에칭된 구리 도전체로 제작되는데, 이는 연성 인쇄회로기판(210) 공정을 이용하여 수평 및 수직 스트립 형태의 라인 구조를 갖는 도전성 물질의 패터닝을 형성함으로써, 제작 공정을 용이하게 하고 코일 구조의 안정성과 정밀성을 높일 수 있게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 트리플 다리 캐패시터를 갖는 새장형 MRI 수신단 RF 코일은 미리 행해진 시뮬레이션 모델과 일치하는 8개의 코일 다리(250)들과 2개의 단부 코일(230)(end ring)로 구성된다. 여기서 단부 코일(230)은 연성 인쇄회로기판(210)의 상단 및 하단에 수평 방향으로 스트립 라인을 2개 형성하고, 상기 코일 다리(250)는 상기 상단 및 하단의 2개의 단부 코일(230)을 수직으로 연결하는 8개의 스트립 라인으로 형성한다.

그리고, 단부 코일(230)과 코일 다리(250)에는 일정한 갭(255)을 다수 형성하는데 이는 캐패시터를 장착하기 위한 구조이다. 코일 다리(250) 사이의 단부 코일(230) 위치에 각각 갭(255)을 형성하고, 코일 다리(250)에는 동일한 간격으로 3개의 갭(255)을 형성하여 캐패시터를 설치하도록 형성한다. 이와 같은 0.23mm 두께의 연성 에폭시 물질로 이루어진 연성 인쇄회로기판(210)에 코일 패턴을 형성하여 시트 형태의 코일시트(200)를 형성함으로써, 전자기적 소자의 안정성을 높이고, 아크릴 수지로 이루어진 투광성 원통형 하우징(100)에 용이하게 부착할 수 있는 구조를 제안한다.

도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 자기 공진 스캐너에서 ¹H 핵의 핵 자기 공명을 측정할 수 있는 새장형 코일의 분산된 다리 캐패시턴스를 기반으로 단일 다리 캐패시터를 갖는 RF 코일과 비교 기술한다. 코일은 소 동물 이미징을 위한 광 대역 특징의 몸체 볼륨 코일이다. RF 코일의 도전체는 연성 인쇄회로기판(FPCB) 패터닝된 구리 스트립들이다.

그리고, 도 3에 나타낸 바와 같이, 단부 코일(230) 어느 하나에 2개의 급전라인(270)을 형성하고, 각각의 라인에 갭(255)을 두어 임피던스 매칭을 위해 직렬 및 병렬 캐패시터로 구성될 수 있도록 하고, 상기 급전 라인 인접한 위치에 이조(detuning) 회로(400)의 구성을 위한 라인이 형성되어 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 트리플 다리 캐패시터를 갖는 새장형 MRI 수신단 RF 코일의 구성 중 이조(detuning) 회로(400)를 나타낸 도면이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 이조(detuning) 회로(400)는 인덕터, PIN 다이오드, 스위칭 다이오드 및 캐패시터로 구성되고, 단부코일 각각 2개씩 설치된 4개의 수동 이조 회로(400)들은 교대 위치에서 본 발명의 실시예에 따른 RF 수신단 코일에 사용된다.

이조 회로(400)는 인덕터와 직렬 연결된 PIN 다이오드와, 상기 PIN 다이오드와 병렬 연결된 4개의 스위칭 다이오드 및 캐패시터를 포함하는 제한회로(400)(limiter circuit)로 구성된다. 이 이조 회로(400)는 단부 코일(230) 캐패시터들과 병렬로 연결되고, 스위칭 및 PIN 다이오드들은 비자기 형이다. 스위칭 및 PIN 다이오드들은 표면 장착형으로, 이와 같은 소자들을 장착하고 회로(400) 구성을 하기 위해서, 상기 각 다이오드들에 대한 솔더 페이스트로서 1mm의 도체 스트립들이 각 단부 코일(230)에 연장되어 형성되어 있다.

이처럼, 본 발명의 실시예에 따른 트리플 다리 캐패시터를 갖는 새장형 MRI 수신단 RF 코일에서 각 코일에 위치한 모든 캐패시터들은 비자기 형이고, 상기 RF 코일은 광대역 수신단 새장형 코일이어서, 이조 회로(400)가 요구된다. 이것은 ¹H 와 ³¹P의 핵이 라머의 주파수에서 여기될 때, 그 구간동안 RF 수신단 코일에서 RF 전송 코일에 기인하는 유도 전류의 효과를 중화시켜 이조(detuning)시키기 위함이다. 여기서 이조(detuning)라 함은 동조 회로(400)의 용량 인덕턴스 또는 양자를 변화해서 동조를 벗어나게 하는 것을 말한다.

즉, 수신 및 송신단 코일은 동일한 주파수에서 동작하는데, 그들은 수신 및 송신모드에서 서로 디커플이 요구된다. 이 디커플링은 이조 소자에 의해 콘트롤되는 다이오드에 의해 실현되는 것이다. 수신단 코일은 전송 자기장 B1에서 동작하는데, B1이 자기장을 변화시키고 코일 루프안에서 전기장을 유도한다. 엄밀히 RF 코일에서 전기장은 필요하지않는데, 이조 소자는 유도된 전기장으로부터 RF 전류를 유도하기 위한 코일 루프에서 높은 임피던스를 공급해야할 필요성이 있기 때문에 상기 이조 회로(400)의 사용이 필요하다.

이처럼 본 발명의 실시예에 따른 트리플 다리 캐패시터를 갖는 새장형 MRI 수신단 RF 코일은 상술한 코일시트(200)를 형성하고, 상기 코일시트(200)에 캐패시터, 인덕터, PIN 다이오드 및 스위칭 다이오드로 구성된 간단한 구조의 이조회로(400)를 용이하게 설치할 수 있도록 하고, 수신단 코일의 특성으로서 공진 주파수에서의 디커플링을 높이기 위한 임피던스 변화를 손쉽게 할 수 있는 구조를 제안한다. 임피던스의 변화는 비자기형 가변 캐패시터를 사용하여 손쉬운 조작으로 캐패시턴스 값을 변화시키고 전체 임피던스를 변화시킬 수 있게 된다.

즉, 이와 같은 본 발명은 FPCB 제조 공정으로 트리플 다리 캐패시터를 갖는 시트형 코일을 형성하여 하우징(100)에 용이하게 부착하고, 이조 회로(400)(detuning circuit)를 통해 임피던스 매칭과 전송 및 수신단 공진 주파수의 디커플링(decoupling)을 용이하게 형성하고 손쉽게 조작할 수 있도록 하는 코일 구조 및 시스템을 제안함으로써, 제작이 용이하고, 전자기적 소자의 출력 안정성 및 MRI 시스템에 적용되는 수신단 RF 코일 구조의 안정성과 정밀성을 높일 수 있게 된다.

이하에서 본 발명의 실시예에 따른 트리플 다리 캐패시터를 갖는 새장형 MRI 수신단 RF 코일의 시뮬레이션 결과와 측정 결과를 단일 다리 캐패시터를 갖는 새장형 RI 수신단 RF 코일과 비교하여 그 효과를 설명하기로 한다.

여기서, 코일 다리(250) 전류들은 1.5T MRI 시스템에서 H NMR 신호 측정에 요구되는 64MHz 공진 주파수에 관련된다. 수신단 코일 때문에, 수동형 이조 회로(400)는 RF 코일의 단부 코일(230)에 사용되어 왔다. 시뮬레이션 SEMCAD X 3D는 코일의 원형 제작에 최적화된 수치를(dimensions) 제공하고, 코일 디자인에 이용되는 작은 쥐의 NMR 스캔은 1.5T MRI 시스템에 의해 취해졌다.

보다 구체적으로, 3D EM 시뮬레이션 툴인 SEMCAD X 3D 기반 FDTD는 RF 코일의 시뮬레이트에 사용됐다. 광대역 LC 공진기를 만드는 코일 다리(250)들과 단부 코일(230)에 캐패시터들이 존재하는데, 코일의 최적 치수들(dimensions)은 시뮬레이션 소프트웨어의 도움으로 최적화 된다. 40mm 내부 직경과, 5 mm의 두께 및 220mm의 길이를 갖는 아크릴 물질의 중공된 실린더는 코일 구조의 지지에 사용됐다. 0.5 온스 두께의 구리 도체의 최적화된 넓이는 단부 코일(230), 다리 및 병렬 급전 라인(270)은 5mm이다.

캐패시터 갭을 포함하는 각 코일 다리(250)의 길이는 코일 다리(250) 및 단부 코일(230)의 캐패시터 갭이 2mm일 때, 162.5mm이다. 각 단부 코일(230) 캐패시터는 123.2 pF 이고 각 다리 캐패시터는 100pF이다. 2개의 다른 RF 코일의 모습을 준비되고 시뮬레이트 된다. 여기서, 각 코일 다리(250)의 개별소자 캐패시터들의 동일 캐패시턴스는 거의 100pF이다. SEMCAD X에 의해 획득된 각 시뮬레이션 모델의 반사 손실 그래프들은 도 5에 나타낸 바와 같다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 트리플 다리 캐패시터를 갖는 새장형 MRI 수신단 RF 코일에 대한 반사 손실(Return Loss)의 비교 그래프이다. 단일 다리 캐패시터를 갖는 새장형 MRI 수신단 RF 코일과 비교하였다.(도 5의 (a))

도 5에 나타낸 바와 같이, 싱글 SEMCAD X 3D에 의해 획득한 단일 다리 캐패시터(도 5의 (a))와 트리플 다리 캐패시터(도 5의 (b))를 갖는 RF 코일에 대한 반사 손실 그래프가 서로 유사하다는 것을 알 수 있다. 양쪽 코일 모습들은 코일 다리(250) 전류에 기인하는 더 낮은 공진 주파수들 및 단부 코일(230) 전류에 기인하는 더 높은 공진 주파수를 가진다. 양 코일 모습에서, 코일 다리(250)에 기인하는 공진 주파수는 1.5T MRI 시스템에서 NMR 신호 측정에 대해서 63.85MHz로 수정될 수 있다.

양 FPCB RF 코일의 임피던스 매칭은 급전라인에 설치된 비자기형 가변 캐패시터의 도움으로 이루어진다. 63.85MHz에서 본 발명의 실시예에 따른 RF 코일의 임피던스 매칭은 네트워크 분석기에서 반사 손실의 측정으로 확인 되었다. 반사손실 그래프의 이미지는 도 8에 나타낸 바와 같다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 단일 다리 캐패시터를 가지는 RF 코일은 63.08MHz의 공진 주파수에서 -19.30dBdml 반사 손실을 가지고 있음이 분명하고, 본 발명의 실시예에 따른 3개의 다리 캐패시터를 갖는 RF 코일은 63.75MHz 공진 주파수에서 -23.98dB의 반사 손실을 가지고 있음을 분명히 알 수 있다.

도 6은 1.5T MRI 시스템에 사용되는 단일 다리 캐패시터를 갖는 RF 코일과 본 발명의 실시예에 따른 트리플 다리 캐패시터를 갖는 새장형 MRI 수신단 RF 코일을 적용한 작은 쥐의 NMR 이미지를 나타낸다.

GE Company 1.5T MRI 시스템에서 소 동물인 쥐의 H의 NMR 이미는 단일 다리 캐패시터 및 트리플 다리 캐패시터를 갖는 FPCB 수신단 RF 코일을 사용하여 획득했다. 본 발명의 실시예에 따른 FPCB 수신단 RF 코일의 전파흡수율(SAR)과 수치는 다음의 [표 1]과 같다.

그리고, 도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 트리플 다리 캐패시터를 갖는 MRI 수신단 RF 코일을 적용한 작은 쥐의 수소핵 NMR 이미징이 매우 선명함을 알 수 있고, 매우 낮은 SAR을 갖는 NMR 이미징을 획득할 수 있음이 명백하다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 트리플 다리 캐패시터 FPCB RF 코일을 사용하여 얻어진 NMR 이미지들은 단일 다리 캐패시터 FPCB RF 코일에 비하여 더 좋은 이미지 콘트라스트 레벨을 가지고 있음을 알 수 있고, NMR 이미지들에서 코일의 노이즈 면역성은 증가하고, 코일 다리(250)들을 따라 캐패시턴스를 분산시킬 때 이미지 질이 개선됨을 알수 있었다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 트리플 다리 캐패시터를 갖는 새장형 MRI 수신단 RF 코일의 제조방법을 나탄내 흐름도이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이중 공진 RF 코일의 제조방법은 (a) 연성 인쇄회로기판(210) 공정으로 상기 기판(210)의 상단 및 하단에 수평방향의 직선 단부 코일(230)과, 상기 단부 코일(230)을 수직으로 연결하는 복수개의 코일 다리(250)를 형성하고, 상기 단부 코일(230)에 적어도 하나의 갭(253)과 코일 다리(250)에 동일한 간격으로 3개의 갭(255)이 형성된 스트립 형태의 코일 구조를 패터닝하는 단계 단계(S100); (b) 상기 갭(255)에 캐패시터를 장착하고, 임피던스를 변화시켜 이조(detuning) 시키기 위한 이조 회로(400)(detuning circuit)를 상기 단부 코일(230)에 적어도 하나를 장착시켜 RF 코일시트(200)를 형성하는 단계(S200); 및 (c) 상기 RF 코일시트(200)를 중공된 동축구조의 원통형 투광성 하우징(100)의 내측 원통의 측면에 상기 RF 코일시트(200)를 부착하여 새장형 코일을 형성하는 단계(S300)를 포함하여 구성된다.

그리고 아크릴 물질의 중공 원통형 지지 구조로서 구리 와이어 형태의 도전체가 직접적으로 부착하는 종래의 방법과 달리, 본 발명의 실시예에서는 중공의 원통형 아크릴지지 구조에 쉽게 부착할 수 있는 연성의(flexible) 유전 물질에 구리를 에칭하여 스트립 형태로 패터닝하여 하나의 코일시트(200)를 형성하고, 상기 코일시트(200)를 하우징(100)(100)인 중공 원통형 지지구조에 부착하는 방법을 사용함으로써, 제조방법이 매우 간단하고, 전자기적 소자의 출력 안정성을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 대량 생산에 용이한 제조방법을 제안한다.

또한, 연성의(flexible) 유전 물질에 구리 도전체의 에칭에 의해 바람직한 공명 모드들은 향상되고 원치않는 공명 모드들은 저지됨을 알 수 있었다. RF 코일의 시뮬레이션에서 찾은 바닷 물 팬텀에서 SAR는 거의 안전 제한치 이하이다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능 하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

100: 하우징, 200: 코일시트, 210: FPCB, 230: 단부 코일,
250: 코일 다리, 255: 갭, 270: 급전 라인, 300: 캐패시터,
400: 이조 회로

Claims (10)

1. 중공된 원통형 투광성 플락스틱 소재의 하우징;
   상기 하우징 측면 둘레에 원통형으로 부착되는 것으로, 상단 및 하단에 형성된 수평 방향의 단부 코일과, 상기 단부 코일을 수직으로 연결되는 다수의 코일 다리로 구성하되, 상기 단부 코일에 적어도 하나의 갭과 상기 다수의 코일 다리 중심에 동일 간격으로 3개의 갭을 형성하여 연성 인쇄회로기판에 스트립 형태로 패터닝된 코일시트;
   상기 코일 다리 및 단부 코일에 형성된 갭에 장착되는 캐패시터; 및
   상기 어느 하나의 단부 코일에 설치되는 것으로, PIN 다이오드 및 스위칭 다이오드가 병렬로 연결되고, 상기 PIN 다이오드 및 스위칭 다이오드와 직렬로 연결되는 비자기형(non-magnetic) 가변 캐패시터 및 인덕터를 포함하여 임피던스를 변화시켜 이조(detuning) 시키기 위한 이조 회로(detuning circuit)를 포함하는 것을 특징으로 하는 트리플 다리 캐패시터를 갖는 새장형 MRI 수신단 RF 코일.
   
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4. 제1항에 있어서,
   상기 투광성 플라스틱 소재는 아크릴 수지인 것을 특징으로 하는 트리플 다리 캐패시터를 갖는 새장형 MRI 수신단 RF 코일.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 연성 인쇄회로기판은 FR4 에폭시 수지 FPCB인 것을 특징으로 하는 트리플 다리 캐패시터를 갖는 새장형 MRI 수신단 RF 코일.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 코일은 구리(Copper)를 재질로 하는 것을 특징으로 하는 트리플 다리 캐패시터를 갖는 새장형 MRI 수신단 RF 코일.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 어느 하나의 단부 코일에서 연장되는 급전라인에 직렬 및 병렬 임피던스 매칭을 위한 임피던스 매칭 캐패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 트리플 다리 캐패시터를 갖는 새장형 MRI 수신단 RF 코일.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 하우징은,
   동축 구조로서, 내측 원통의 측면에 상기 코일시트가 부착되는 것을 특징으로 하는 트리플 다리 캐패시터를 갖는 새장형 MRI 수신단 RF 코일.
   
9. (a) 연성 인쇄회로기판 공정으로 상기 기판의 상단 및 하단에 수평방향의 직선 단부 코일과, 상기 단부 코일을 수직으로 연결하는 복수개의 코일 다리를 형성하고, 상기 단부 코일에 적어도 하나의 갭과 상기 코일 다리에 동일한 간격으로 3개의 갭이 형성된 스트립 형태의 코일 구조를 패터닝하는 단계;
   (b) 상기 갭에 캐패시터를 장착하고, 임피던스를 변화시켜 이조(detuning) 시키기 위하여, PIN 다이오드 및 스위칭 다이오드가 병렬로 연결되고, 상기 PIN 다이오드 및 스위칭 다이오드와 직렬로 연결되는 비자기형(non-magnetic) 가변 캐패시터 및 인덕터를 포함하는 이조 회로(detuning circuit)를 상기 단부 코일에 적어도 하나를 장착시켜 RF 코일시트를 형성하는 단계; 및
   (c) 상기 RF 코일시트를 중공된 동축구조의 원통형 투광성 하우징의 내측 원통의 측면에 상기 RF 코일시트를 부착하여 새장형 코일을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 트리플 다리 캐패시터를 갖는 새장형 MRI 수신단 RF 코일의 제조방법.
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
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